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82第三章硅酸盐高温反应装置操作解析法在工业反应装置中，化学反应过程除了受到化学反应和传递过程规律作用外，还受到反应装置的类型和物料在反应装置中的流动与混合情况的影响，研究这些宏观动力学因素对于化学反应的影响，对于正确的进行反应装置的设计和操作具有重要意义，因此，本章在简要介绍常用工业反应装置的基本类型后，着重阐述物料在反应器中的流动类型与停留时间分布的概念，介绍了几种典型的流动模型及其模型参数。第一节反应装置类型硅酸盐反应装置的种类繁多，各具有不同的特点，对于热工设备传统的分类方法是按照产品，热源，和操作方式等来区分成各种硅酸盐窑炉。如果采用反应工程的观点则可将硅酸盐工业反应装置按如下方法进行分类：一、按物料流动形态分类(一）平推流反应器（PFR）反应器中的全部物料以相同速度沿着同一方向起头并进地向前流动，所有物料颗粒在反应器中都具有相同的停留时间。在稳定状态下，垂直于流动方向的同一截面上的物料的组成不随时间改变，这是一种理想流动反应器。在工业生产中对于长径比大于50和雷诺数大于10000的管式反应器可以近似的当作平推六反应器处理。例如隧道窑的预热带和冷却带内的气体流动模型可用平推流反应器来作近似描述。（二）全混流反应器（CSTR）（CMR）反应器中的物料由于完全混合均匀。各处的物料浓度和温度完全相同，并且等于反应器出口处的物料浓度和温度，这也是一种理想流动反应器。工业生产中的搅拌釜式反应器内的物料流动接近于这种流动模式。在陶瓷生产中，采用高速烧嘴的新型间歇式窑炉内的气体流动情况近似于全混流模型。（三）多级组合反应器为了适应生产上的不同要求，采用相同或不同型式的理想反应器通过串联或并联方式组合在一起而成，其中物料的流动形态可以比理想流动情况有所偏离。（四）扩散流反应器反应器中的物料流动符合扩散模型的反应器，即在平推流上叠加一个与流动方向相反的扩散，它是描述非理想流动的主要模型之一，特别适用于反混程度不大的系统，如固定床反应器等。二，按气固两相接触方式分类(一）固定床反应器固体物料固定不动，而气体流过固体物料时发生气固相反应，这是工业生产中广泛应用的管式反应装置之一。其特点在于物料一次装入，流体连续流动，属于半间歇式操作，流体接近于平推流流动，气固接触面较小，床内容易形成温度分布，床和外部的热交换能力较小，可以近似地把倒焰窑当作固定床反应处理。（二）移动床反应器固体物料和气体同时逆向或同方向移动。连续式操作，物料与气体都接近于平推流流动，气固相接触面积较小，床内产生温度分布，床与外部的热交换能力较大，移动床反应器也是广泛应用的管式反应装置之一，立窑和炼铁高炉可作为移动床反应器的应用实例。（三）流化床反应器反应器内固体物料颗粒与气流接近完全混合状态，气固两相接触面积较大，传热快，床内温度均匀，床与外部热交换能力大，是广泛应用的管式反应装置。（四）喷腾床反应器气固两相接触方式类似于流化床，在高速气流作用下，不能流态化的粗大固体颗粒如同喷泉似的随气体喷流而上升，在床层上方的空隙部分，颗粒沿喷流的周围边界下落，然后又被气流带起，循环往复，这种反应器具有流化床反应器的优点，在固体颗粒干燥和焙烧中获得广泛83应用。三，按结构特征分类(一）立窑：窑体呈垂直竖立的圆桶状。（二）隧道窑：窑体呈长方形，水平放置，由窑墙，窑顶和窑车围成码烧坯体的窑内空间，如同隧道，故得此名称。（三）回转窑：窑体是一个倾斜放置的回转式圆筒。（四）池窑：窑体是一个水平放置的砖砌方形结构，窑内熔制玻璃料的部分如同长方形的浴池。（五）倒焰窑：窑体是砖砌的方形或圆形构造物，窑内底座分布若干吸火孔，使烟气经此孔和烟窗排放。此外，尚可按操作方式或其他方法进行分类，掌握不同类型反应装置的结构特征和传递特性，对于合理选用，改进现有反应装置和开发新型反应装置具有重要的理论指导意义。第二节反应器中的物料流动类型与停留时间分布一、物料的流动与返混现象（一）理想流动与非理想流动前已述及，工业反应器中进行的化学反应受到动量、质量和热量等物理过程的影响，为了弄清楚这种影响的规律，首先必须研究反应器中物料的流动和混合情况，因为流动是传递过程的基础，另外，物料流动的速度分布和方向不同会使物料颗粒在反应器中的停留时间不同，而停留时间不同的物料之间的混合，即通常所说的“返混”，必将降低反应物的浓度，进而影响了化学反应速率，特别在反应器的工程放大过程中，传递过程和返混等宏观动力学因素对化学反应过程的影响显的更加重要，因此有必要研究反应器中物料的流动与混合问题。工业反应器中的流动情况是很复杂的，为了从复杂的流动现象中找出其本质性规律，如果采用物理意义明确，数学表达简便并且能反映流动过程主要特征的流动模型，即物料在反应器中的流动和混合状况的物理图象或数学表达方式，来描述某些理想的反应器，则实际的反应器就可以理想反应器的流动模型经过适当修改和组合后得到的非理想流动模型加以描述，如同把理想气体视为实际气体的理想模型一样。平推流（又称活塞流或理想排挤流）和全混流（又称完全混合或理想混合）是两种典型的理想流动模型，而偏离这良种模型的流动都称为非理想流动。(a)(b)(c)图3-2-1偏离平推流的非理想流动（a)涡流与湍动引起轴向混合（b）层流引起径向不均匀流速分布（c）填充物分布不均匀引起沟流与短路平推流是指物料在反应器内沿流动方向起头并进地向前流动，如同活塞在汽缸里朝前移动一样。它的特点是，垂直于物料流动方向上的任何截面上，所有的物系参数（如浓度和温度等）84都是均匀的，即同一个截面上各处的温度，压力，浓度和流速都分别相等，因而物料颗粒在反应器中的停留时间都相等，并且等于全部物料通过反应器所需要的时间，沿流动方向上的物料彼此完全不混合。全混流是指刚进入反应器的物料颗粒与已经存留在器内的物料颗粒能在瞬间达到完全混合的一种模型。它的特点是，整个反应器内各处的物理性质都是均匀一致的，并且和出口处的物料性质相同。换言之，反应器中各处温度和浓度都相同，并且分别等于出口的物料温度和浓度。但是，物料颗粒在反应器内的停留时间却长短不齐，形成一个停留时间分布。(a)死角S(b)短路图3-2-2偏离全混流的非理想流动如前所述，工业反应器中的流动很复杂，并不是理想流动状态，凡是偏离上述两种流动模型的流动均为非理想流动，实际生产中的反应器内的流动均为非理想流动。引起非理想流动的原因主要是反应器内出现的死角，沟流，短路，涡流和返混现象，图（3-2-1）和图（3-2-2）分别表明偏离平推流和全混流的非理想流动情况。描述非理想流动的模型很多，其中广泛采用的是扩散模型和多级混合模型，将在本章第三节作介绍。（二）返混现象返混现象是反应工程中十分重要的概念。前已指出，进入连续操作的反应器中的物料颗粒在器内的停留时间长短不一，不同停留时间的颗粒之间的混合称为返混。在间歇操作的反应器中或平推流理想反应器中，由于物料颗粒的停留时间完全相同，所以不存在返混现象，因此，返混是连续化操作所产生的现象。返混主要是指时间概念上的逆向混合，它与一般的搅拌混合是不同的两个概念。连续操作反应器内的物料环流运动或搅拌作用是造成返混的原因。返混的结果形成了物料的停留时间分布，浓度分布和温度分布。由于流速不均匀也能形成返混，例如当物料以层流方式流经管式反应器是形成抛物线状的速度分布，在同一时刻进入反应器的物料沿径向就有不同的流速，形成一定的速度分布，温度分布和浓度分布。从返混造成的后果来看，两者异曲同工，所以这种层流流动也是造成返混的原因之一。通常把包含层流引起的不均匀流动在内的返混现象称为广义的返混，而把不包含这种层流流动在内的返混称为狭义的返混。在工业反应过程中，经常会发现在实验室小实验装置上获得很好的反应结果一旦放大到工厂大型设备上以后会变得显著的恶化，这种现象被称作“放大效应”。其原因正是在于放大过程中返混程度的改变所致。因此人们往往根据反应的特征，在考虑到返混这个重要的工程的因素的前提下，进行反应器型式和结构的实际选型，或者工程放大。一般来讲，返混是个有害的因素，因为它可以使化学反应速率降低。研究实际设备中的返混现象必须通过实验方法测定物料的停留时间分布曲线。二、停留时间的概率分布（一）基本概念1、停留时间与停留时间分布（RTD）物料从进入反应器时起到离开反应器时止所经历的时间称为停留时间。在间歇式反应器和平推流反应器中，所有物料颗粒的停留时间都是相同的。但是对除平推流以外的各种连续式操作反应器，由于存在返混，同时进入反应器的物料颗粒在器内的停留时间有长有短，形成一种分布，称为停留时间分布。为了说明物料颗粒停留时间的长短，通常采用两种表示方法，即年令与寿命。85所谓年令是指存留在反应器内的颗粒从进入反应器到所考虑的瞬间为止已经停留的时间长短，是针对仍然留在反应器内的颗粒而言的。所谓寿命是指物料颗粒从进入反应器到离开反应器止的这一段时间，即颗粒在反应器内总共停留的时间，是针对已经离开反应器的物料颗粒而言的。因此寿命也可以说是反应器出口处物料颗粒的年令。例如，年令为5秒的颗粒，说明它在反应器内已经停留了5秒钟，但它仍然留在反应器内，如果此颗粒已经离开了反应器，而且在反应器也是停留了5秒钟，则5秒钟应该是它的寿命，而不是它的年令。建立了上述概念，就可以更加确切地说，返混是指反应器中不同年令的物料颗粒之间的混和。由于物料在反应器内的最终反应率取决于在器内的实际停留时间的长短，所以影响最终反应率的因素是颗粒的寿命，而不是它的年令，后面将着重讨论颗粒的寿命分布。2、平均停留时间τm为了讨论停留时间分布，有必要建立平均停留时间的概念。设进入反应器的物料体积流量为u，反应器总容积为VR，取反应物料微元体积dV，物料流过该微元体积的时间为dτ，则有：dVud(3-2-1)边界条件：=0V=0=mV=VR积分上式得：RV0mudV(3-2-2)对恒容过程，u不变，则：uVRm(3-2-3)式中τm是指全部物料在反应器内的停留时间，称为平均停留时间。它不受物料在反应器内流动与混合情况的影响，只要反应器体积和加入物料的体积流量之比值不变，则所有物料颗粒的平均停留时间都相同，流动型式只改变物料颗粒停留时间分布，不能改变所有物料的平均停留时间。对于平推流反应器，所有颗粒的停留时间都相等，并且等于全部物料的平均停留时间。(a)分布密度函数E(τ)(b)分布函数F(τ)图3-2-3停留时间分布的E（）曲线和F（）曲线（二）停留时间分布函数F（τ）和停留时间分布密度函数E（τ）物料在反应器内的停留时间分布是一个随机过程，为了进行定量描述，根据概率统计理论采用两种概率分布，即停留时间分布函数F（τ）和停留时间分布密度函数E（τ）来表示。在一个稳定的连续流动系统中，当在某个瞬间将一定量的物料同时加入系统中，物料中各颗粒将经历不同的停留时间先后流出系统外。如果流出系统外的N个颗粒中有dN个颗粒的寿命介于τ和（+dτ)间，则具有这种寿命的颗粒所占的分率dN/N，以概率分布来描述就写成E（τ）86d，函数E（）就称为停留时间分布函数，可用图（3-2-3）（a)中的曲线表示，图中阴影部分的面积大小E（τ）dτ即停留时间介于τ和（τ+dτ)之间的物料颗粒所占的分率。根据概率论知，E（τ）dτ即流体在反应器中停留时间介于τ和（τ+dτ)之间的概率。对于稳定的流动系统，在不同瞬间同时进入系统的各批N个物料颗粒均具有相同的停留时间分布函数，所以，流过系统的全部物料或系统在任一瞬间的出口物料中，都有同一个物料停留时间分布函数E（τ）。根据E（τ）的定义，必然具有归一化的性质，即积分式：1)(0dE或者：1NN（3-2-4）对于流出系统的物料中寿命小于τ的，或者说寿命介于0~τ之间的物料所占的分率可用函数F（τ）表示，则：1)()(0dEF（3-2-5）称F（τ）为停留时间分布函数。当停留时间趋于无限长时，F（τ）也趋于1，对式（3-2-5）微分，可知E（τ）与F（τ）之间的关系：)()(EddF如图（3-2-3）所示。由此可见，E（